Principais vantagens:
- Prevalência e operação: As baterias de íons de lítio são amplamente utilizadas para sua alta densidade de energia e nenhum efeito de memória. Eles operam através do movimento reversível dos íons de lítio entre o cátodo e o ânodo.
- Falha causas: Os motivos comuns para a falha da bateria incluem evaporação de eletrólito orgânico, fusão do separador, liberação de oxigênio, carregamento descontrolado, carregamento rápido em baixas temperaturas, descarga completa e defeitos de fabricação.
- Estratégias de prevenção: Garantir a longevidade da bateria requer o uso de células de alta qualidade, design eficaz da bateria e um sistema de gerenciamento de bateria confiável (BMS).
- Importância e recursos do BMS: Um BMS é crucial para monitorar a tensão, a temperatura e o equilíbrio celular. Ele deve cumprir os padrões de segurança como UL 1642 e IEC 62133 para células e UL 991 ou UL 1998 para o software BMS.
Baterias de íon de lítio estão ao nosso redor, alimentando nossos smartphones, laptops, veículos elétricos e sistemas de armazenamento de energia renovável.
Nesta postagem, exploraremos o básico dessas baterias, incluindo como elas funcionam, seus benefícios, causas comuns e métodos de prevenção.
Por que usar baterias de íon de lítio?
As baterias de íons de lítio tornaram-se populares devido à sua alta densidade de energia. Eles são superiores a baterias hidretas de chumbo-ácido, níquel-cádmio e níquel-metal na densidade de energia com base em volume e em massa.
A transição das baterias de hidreto de níquel-cádmio para níquel-metal levou ao uso generalizado de baterias de íon de lítio. Essas baterias não apenas oferecem a maior densidade de energia, mas também não têm efeito de memória. Isso significa que sua capacidade não é afetada por uma carga ou descarga completa ou parcial.
Além disso, as baterias de íon de lítio têm baixa toxicidade. Especialmente o baterias de fosfato de ferro-lítio, eles não contêm metais pesados como o cobalto. Além disso, eles têm uma vida útil mais longa do que as químicas alternativas, garantindo confiabilidade em várias aplicações.
Como as baterias de íon de lítio funcionam?
Para entender as preocupações de segurança em torno das baterias de íon de lítio, é importante entender como elas funcionam. Como qualquer célula eletroquímica, uma bateria de íon de lítio consiste em um cátodo e um ânodo. O cátodo geralmente contém um sal de lítio, como óxido de lítio ou fosfato de lítio, enquanto o ânodo é normalmente feito de grafite.
Quando você carrega uma bateria de íons de lítio, os íons de lítio (representados por pontos pretos) se movem do sal de óxido de lítio para o ânodo de grafite. Esse movimento, conhecido como intercalação, não envolve interação direta entre os íons e os elétrons. Em vez disso, os elétrons fluem do cátodo para o ânodo, onde reagem com o carbono na grafite.
Vale a pena mencionar que, diferentemente das baterias de metal de lítio, que não são recarregáveis, as baterias de íons de lítio permitem a intercalação reversível de íons de lítio. Essa inovação inovadora concedeu a John Goodenough e Stan Winningham o Prêmio Nobel em Química. Os íons de lítio sofrem difusão através de um fluido de eletrólito orgânico, permitindo seu movimento de entrada e partida entre o ânodo e o cátodo.
Na parte seguinte, cavaremos mais o eletrólito orgânico e sua função em ajudar a operação suave das baterias de íons de lítio.
LCO, LMO, NCA
Vamos começar discutindo o cátodo e os sais de lítio geralmente usados em baterias de íons de lítio. O primeiro que estudamos é o óxido de cobalto de lítio, que é generalizado em laptops, ferramentas elétricas e telefones celulares. Quando a bateria descarrega, o lítio se separa do óxido de cobalto de lítio, liberando um elétron que viaja pelo carregador para o ânodo. Este procedimento deixa óxido de cobalto no cátodo.
Outro sal usado como material de cátodo é o óxido de lítio de manganês. Esse tipo de cátodo foi utilizado na folha Nissan e também pode ser encontrado em vários modelos Tesla, como o Modelo S, Modelo 3 e Modelo X.
Por fim, temos óxido de alumínio de cobalto de níquel de lítio, que oferece a maior capacidade de energia por massa e volume.
Causas de falha da bateria de íons de lítio
Para evitar falhas na bateria de íons de lítio, é importante estar ciente dos fatores que podem levar a esses problemas. Vamos dar uma olhada em algumas causas comuns.
Evaporação de eletrólitos orgânicos
Se uma bateria de íon de lítio ficar muito quente, o eletrólito orgânico dentro poderá evaporar. Essa evaporação aumenta a pressão e a temperatura dentro da célula. Como resultado, a bateria pode inchaço, indicando a presença de condições perigosas.
Derretimento do separador
As baterias de íons de li geralmente usam um separador feito de polietileno ou polipropileno. Quando exposto a temperaturas em torno de 80 graus Celsius (170-180 graus Fahrenheit), esse separador pode derreter. O derretimento do separador permite que o ânodo e o cátodo entrem em contato, levando a um curto -circuito interno e gerando calor adicional.
Liberação de oxigênio e reações não controladas
Quando uma bateria de íon de lítio atinge altas temperaturas, o oxigênio presente em materiais cátodo, como óxido de cobalto de lítio, óxido de manganês de lítio ou óxido de alumínio de cobalto de níquel de lítio, pode ser liberado. Esse oxigênio liberado pode reagir com o eletrólito evaporado, causando reações químicas não controladas. O curto -circuito contínuo exacerba ainda mais a situação, tornando crucial abordá -lo imediatamente.
Carga não controlada
Sobrecarregar a bateria ou sujeitá -la a uma carga não controlada pode levar à formação de metal de lítio no ânodo. Excesso de elétrons combina -se com íons de lítio, formando dendritos que crescem através do eletrólito e no cátodo. Esses dendritos podem criar circuitos curtos internos, representando sérios riscos.
Carregamento rápido e baixas temperaturas
Carregar a bateria em correntes muito altas ou baixas temperaturas pode impedir o movimento de íons de lítio no ânodo. Consequentemente, um excesso de elétrons pode se acumular no ânodo, causando revestimento de metal de lítio e potencial curto -circuitos internos.
Descarga completa
Evite descarregar totalmente uma célula de íons de lítio. O excesso de descarga pode fazer com que o coletor de cobre no ânodo se dissolva no eletrólito. Ao recarregar, o cobre pode se reformar, mas não em sua estrutura original semelhante a uma folha. Isso pode levar ao revestimento de cobre e resultar em um curto -circuito interno.
Baixa produção de células e contaminação
As falhas da bateria de íons de lítio também podem ocorrer devido a falhas de produção ou à presença de impurezas durante a fabricação. Essas impurezas podem introduzir contaminantes ou partículas na bateria, levando a curtos circuitos internos ou reações indesejadas que aceleram a degradação da capacidade.
Ao entender e abordar essas causas de falha da bateria de íons de lítio, podemos trabalhar para melhorar a segurança da bateria, a confiabilidade e a longevidade em várias aplicações.
Prevenindo a falha da bateria
A prevenção de problemas na indústria de baterias é crucial para seu crescimento e sucesso contínuos. Existem três etapas principais que podem ser tomadas para minimizar efetivamente a ocorrência de problemas.
Em primeiro lugar, garantir a qualidade das células da bateria é de extrema importância. Com a rápida expansão da indústria, surgiram numerosas instalações de fabricação de células, principalmente na China. É crucial selecionar cuidadosamente células de alta qualidade dos fabricantes respeitáveis. Algumas instalações possuem processos automatizados de alta tecnologia de primeira linha, enquanto outros podem não atender aos mesmos padrões. A escolha da qualidade das células afeta diretamente o desempenho e a confiabilidade gerais.
O design da bateria também desempenha um papel vital na prevenção de incidentes. As baterias consistem em várias células dispostas em séries e configurações paralelas, criando a tensão desejada e a capacidade de corrente. Ao projetar um pacote, é essencial considerar a dissipação de calor eficaz em caso de eventos imprevistos. Compreender como o pacote responderá a possíveis problemas celulares é vital para manter a segurança. Além disso, se o sistema exigir a entrega de quantidades substanciais de corrente, garantir a distribuição eficiente por meio de contatos confiáveis e placas de circuito se tornarem fundamentais.
No ponto crucial, está o sistema de gerenciamento de bateria (BMS). Este dispositivo serve como guardião da bateria, monitorando continuamente as tensões, correntes e temperaturas para garantir que as células operem dentro de limites seguros. Em qualquer bateria de íons de lítio, a presença de um BMS integrado ou externo é fundamental para proteger as células. O BMS não apenas garante a segurança, mas também aprimora a longevidade das baterias. Dado que as baterias de íons de lítio podem superar os dispositivos de armazenamento convencionais por uma margem significativa, torna-se imperativo priorizar sua proteção para uso a longo prazo.
A prevenção de problemas na indústria de baterias exige atenção cuidadosa à qualidade das células, design de embalagem e implementação de um sistema confiável de gerenciamento de baterias. Essas medidas coletivas contribuem para a segurança geral e a durabilidade das baterias de íons de lítio, permitindo que a indústria prospere e minimize riscos potenciais.
Importância dos sistemas de gerenciamento de baterias
O sistema de gerenciamento de bateria (BMS) desempenha um papel crucial no monitoramento e controle das tensões, correntes e temperaturas de uma bateria. Sua função principal é garantir que a bateria opere dentro dos limites de segurança. Se o BMS detectar qualquer anormalidade ou exceder os limites da célula, ele terá a capacidade de interromper o processo de carregamento ou descarga.
Em termos mais simples, o BMS fica de olho nos sinais vitais da bateria. Ele constantemente verifica os níveis de tensão, o fluxo de corrente e a temperatura para garantir que tudo esteja funcionando corretamente. Se detectar quaisquer problemas, como calor excessivo ou tensão irregular, pode tomar medidas para proteger a bateria.
Uma das principais tarefas do BMS é impedir a sobrecarga ou o excesso de descarga da bateria. A sobrecarga pode causar danos às células da bateria e reduzir a vida útil, enquanto o excesso de descarga pode levar à degradação do desempenho. O BMS garante que a bateria receba a quantidade apropriada de carga e impeça que ela fique muito cheia ou muito vazia.
Pense no BMS como o guardião da bateria. Está sempre em vigor, pronto para intervir e proteger a bateria contra danos em potencial. Ao monitorar e regular os parâmetros da bateria, o BMS ajuda a prolongar sua vida útil geral e a manter o desempenho ideal.
Quais recursos devem estar presentes em um BMS?
Queremos compartilhar minha opinião sobre os requisitos mínimos para um BMS para garantir a proteção e a longevidade da bateria.
Em primeiro lugar, a proteção de tensão é essencial. É crucial impedir a sobrecarga e o excesso de descarga da bateria. Precisamos manter uma faixa de tensão segura para evitar danificar as células e maximizar sua vida útil. A propósito, também devemos considerar impedir que o pacote forneça correntes que excedam sua capacidade, não apenas no nível da célula, mas também para todo o pacote.
A proteção de temperatura é outro aspecto vital. Quando as temperaturas aumentam muito, isso pode levar a riscos e falhas em potencial. Portanto, é crucial ter mecanismos para monitorar e controlar altas temperaturas. Da mesma forma, é importante ter proteção de carregamento de baixa temperatura para impedir problemas como revestimento de metal de lítio no ânodo devido a condições excessivamente frias.
Além disso, um recurso útil, embora não seja absolutamente necessário, é a capacidade de equilibrar as células dentro de uma série. As células em paralelo compartilham naturalmente a corrente e a tensão, mas as células em série não. Para manter um estado de carga uniforme (SOC) entre as células, é necessário um mecanismo de equilíbrio ou uma capacidade de compartilhamento de corrente extra.
Por fim, embora não discutimos padrões específicos para testes de terceiros, vale a pena mencionar que existem padrões existentes que os laboratórios de teste de terceiros podem usar para avaliação de conformidade.
Padrões
Muitas vezes, há confusão em relação às diferentes listagens para células, baterias e sistemas de gerenciamento de bateria. Vamos esclarecer um pouco as coisas. As células de íons de lítio podem ser testadas e listadas de acordo com os padrões UL 1642 ou IEC 62133.
As bateria, por outro lado, têm suas próprias listagens. Eles podem ser listados no UL 2050 ou na UL 1973, os quais exigem conformidade com a UL 1642 como pré -requisito. É importante observar que o UL 1642 em si não é uma listagem de pacotes, mas um pré -requisito para essas listagens de pacotes.
Na tentativa de criar uma listagem que se aplique a células e pacotes, o IEC introduziu a IEC 62133. No entanto, vale a pena mencionar que os sistemas de gerenciamento de bateria (BMS) também têm suas próprias listagens separadas.
Para o hardware, o BMS pode ser listado no UL 991, enquanto para software, ele pode ser listado no UL 1998 ou IEC 60730-1. É importante observar que a UL 991 e a UL 1998 não são pré -requisitos para as listagens UL 2054 ou UL 1973.
No entanto, se o seu BMS não estiver listado a esses padrões, você precisará realizar testes usando condições de falha para garantir que, mesmo no caso de uma falha, uma situação perigosa não seja criada.
É importante lembrar que essa não é uma lista exaustiva de padrões, mas eu queria destacar sua existência e fornecer alguns esclarecimentos.
Conclusão
Ao compreender o princípio de trabalho das baterias de íons de lítio e considerar fatores como qualidade celular, design de embalagem e um sistema robusto de gerenciamento de bateria, podemos aumentar a segurança e a confiabilidade da bateria. A adesão aos padrões relevantes e a realização de testes completos contribuem ainda mais para a utilização segura e eficiente das baterias de íons de lítio.
Com os avanços contínuos na tecnologia e o foco na segurança, as baterias de íons de lítio continuarão a desempenhar um papel significativo em nosso mundo eletrificado, alimentando várias aplicações e atenuando os riscos.
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